Termodinamica: differenze tra le versioni

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{{Principi della termodinamica}}

La '''termodinamica''' è la parte più noiosabranca della [[chimicafisica classica]] e della [[fisica classicachimica]] che studia e descrive le [[trasformazione termodinamica|trasformazioni termodinamiche]] indotte dalda [[calore]] e dal [[lavoro (fisica)|lavoro]] in un [[sistema termodinamico]], in seguito a processi che coinvolgono cambiamenti delle [[Variabile di stato|variabili di stato]] [[temperatura]] ed [[energia]].

La termodinamica classica si basa sul concetto di ''sistema macroscopico'', ovvero una porzione di [[massa (fisica)|massa]] fisicamente o concettualmente separata dall'ambiente esterno, che spesso per comodità si assume non perturbato dallo scambio di energia con il sistema. Lo([[sistema isolato]]): lo [[stato termodinamico|stato]] di un sistema macroscopico che si trova in condizione di equilibrio è specificato da grandezze dette ''variabili termodinamiche'' o ''funzioni di stato'' come [[temperatura]], [[pressione]], [[volume]] e [[composizione chimica]]. Le principali [[notazioni in termodinamica chimica]] sono state stabilite dalla [[unione internazionale di chimica pura e applicata|IUPAC]].<ref>E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holstrom, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami e A.J. Thor, ''Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry'', IUPAC Green Book, 3ª ed., IUPAC & RSC Publishing, Cambridge, 2008, 234 p. [https://www.iupac.org/fileadmin/user_upload/publications/e-resources/ONLINE-IUPAC-GB3-2ndPrinting-Online-Sep2012.pdf ONLINE-IUPAC-GB3] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161220125649/https://www.iupac.org/fileadmin/user_upload/publications/e-resources/ONLINE-IUPAC-GB3-2ndPrinting-Online-Sep2012.pdf |data=20 dicembre 2016 }}</ref>.

Tuttavia esiste una branca della termodinamica, denominata [[termodinamica del non equilibrio]] che studia i processi termodinamici caratterizzati dal mancato raggiungimento di condizioni di equilibrio stabile.

[[File:Triple expansion engine animation.gif|thumb|upright=1.6|SistemaEsempio di sistema termodinamico ([[motore a movimento alternativo|macchina alternativa a vapore]])]]

== Storia ==

[[File:Carnot2.jpg|upright=0.7|thumb|'''[[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]]''' (1796-1832): uno dei padri della termodinamica.]]

Fu [[OmarNicolas RivaLéonard Sadi Carnot|OmarSadi RivaCarnot]] nel [[1824]] il primo a dimostrare che si può ottenere [[lavoro (fisica)|lavoro]] dallo scambio di [[calore]] tra due sorgenti a temperature differenti. Attraverso lail tecnica[[teorema di Carnot (termodinamica)|teorema di Carnot]] pavimeto-scala-muroee la [[Macchina di Carnot|macchina ideale di Carnot]] (basata sul [[Ciclo di Carnot]]) quantificò questo lavoro e introdusse il concetto di [[Rendimento (termodinamica)|rendimento termodinamico]].

Nel [[1848]] [[Lord Kelvin]],<ref name=kelvin1854>{{Cita libro|titolo=Mathematical and Physical Papers|autore=Sir William Thomson, LL.D. D.C.L., F.R.S.|città=London, Cambridge|anno=1882|volume=1|pagine=232|editore=C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press|url=http://books.google.com/books?id=nWMSAAAAIAAJ&pg=PA100}}</ref> utilizzando la macchina di Carnot, introdusse il concetto di [[Temperatura assoluta|temperatura termodinamica effettiva]] e a lui si deve un enunciato del [[secondo principio della termodinamica]].

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==== Sistemi termodinamici ====

{{Vedi anche|Sistema termodinamico}}

[[File:System_boundary_it.svg|thumb|Schema di un sistema termodinamico]]

Un "sistema termodinamico" è una qualunque porzione dell'universo a cui ci si sta interessando come oggetto d'indagine (la rimanente parte dell'universo si definisce invece '''ambiente'''). Questa porzione di spazio è separata dal resto dell'universo, cioè dall'ambiente esterno, mediante una superficie di controllo (superficie reale o immaginaria, rigida o deformabile), ed è sede di trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l'ambiente esterno. Questi stessi scambi causano perciò la trasformazione del sistema, poiché esso passa da una condizione di partenza ad una differente. In pratica un sistema si trasforma quando passa da uno stato d'equilibrio iniziale ad uno finale. L'ambiente rimane invece approssimativamente "inalterato", poiché il sistema rispetto ad esso è talmente piccolo che uno scambio di energia o materia risulterebbe ininfluente per l'ambiente rispetto alla totalità degli stessi al suo interno, altrimenti non si parlerebbe di ambiente ma di un altro sistema (al quale l'ambiente per definizione non corrisponde).

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** Bordi permeabili, se consentono il passaggio di ogni specie chimica

** Bordi semipermeabili, se consentono il passaggio di alcune specie chimiche

** Bordi impermeabili, se invece non consentono il passaggio di alcuna [[specie chimica]].

Un sistema aperto ha bordi permeabili o semipermeabili, diatermici e deformabili. Un sistema isolato ha bordi impermeabili, rigidi e adiabatici.

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È tipica della termodinamica la distinzione fra [[proprietà intensive ed estensive]]:

* estensive, se dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. massa, volume, [[capacità termica]]);

* intensive, se non dipendono dalle dimensioni del sistema (ad es. pressione e temperatura);

* specifiche: rapportando una proprietà estensiva con le dimensioni del sistema (tipicamente la massa, ma anche il numero di moli o il volume) si ottiene una proprietà intensiva che è detta la corrispondente ''specifica'' della proprietà estensiva corrispondente: possono essere considerate tali il volume specifico, la densità ("massa specifica") e il calore specifico.

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=== Trasformazioni termodinamiche ===

{{vedi anche|Trasformazione termodinamica}}

Quando un sistema passa da uno stato di equilibrio ad un altro, si dice che avviene una [[trasformazione termodinamica]]: si distingue tra ''trasformazioni reversibili'', ovvero quelle trasformazioni che consentono di essere ripercorse in senso inverso (si ritorna precisamente al punto di partenza, ripercorrendo all'indietro gli stessi passi dell'andata), e ''trasformazioni irreversibili'', ovvero quelle trasformazioni che, se ripercorse all'indietro, non faranno ritornare al punto iniziale, ma ad uno diverso. Perché una trasformazione sia reversibile è necessario che essa avvenga abbastanza lentamente da permettere al sistema di termalizzare (il sistema deve passare attraverso infiniti stati di [[equilibrio termodinamico]]).

Le trasformazioni termodinamiche possono essere anche dei seguenti tipi:

* ''[[Trasformazione isobara|Isobare]]'', se la pressione si mantiene costante;

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== I principi della termodinamica ==

{{cinetica chimica}}

I principi della termodinamica vennero enunciati nel corso del [[XIX secolo]] e regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro procedere, i loro limiti. Sono dei veri e propri assiomi fondati sull'esperienza sui quali si fonda tutta la teoria che riguarda la termodinamica.

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Quando due sistemi interagenti sono in equilibrio termico condividono alcune proprietà, che possono essere misurate dando loro un preciso valore numerico. Di conseguenza, quando due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro e la proprietà condivisa è la [[temperatura]]. Il principio zero della termodinamica dice semplicemente che, se un corpo "A" è in equilibrio termico con un corpo "B" e "B" è in equilibrio termico con un corpo "C", allora "A" e "C" sono in equilibrio tra loro.

Tale principio spiega il fatto che due corpi a temperature diverse, tra i quali si scambia del [[calore]], (anche se questo concetto non è presente nel principio zero) finiscono per raggiungere la stessa temperatura, essendo questa una condizione di equilibrio. Nella formulazione cinetica della termodinamica il principio zero rappresenta la tendenza a raggiungere un'[[energia cinetica]] media delle molecole dei corpi in equilibrio termico distribuita uniformemente nello spazio: si avrà quindi un passaggio di [[energia]] dal corpo con le molecole più energetiche a quello con quello con le molecole meno energetiche, ovvero dal corpo caldo a quello freddo. La quantità di energia scambiata per raggiungere l'equilibrio dipende dalla differenza di [[temperatura]] tra i due corpi nello stato iniziale e dai [[calore specifico|calori specifici]] degli elementi coinvolti.

=== Primo principio ===

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Il primo principio viene tradizionalmente enunciato come:

''La variazione dell'energia interna di un sistema termodinamico chiuso è uguale alla differenza tra il calore fornito al sistema e il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente''.<ref>Clausius, R. (1850). Ueber de bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für de Wärmelehre selbst ableiten lassen, ''Annalen der Physik und Chemie'', '''155''' (3): 368–394.</ref><ref>Rankine, W.J.M. (1850). On the mechanical action of heat, especially in gases and vapours. ''Trans. Roy. Soc. Edinburgh'', '''20''': 147–190.[httphttps://www.archive.org/details/miscellaneoussci00rank]</ref><ref>Helmholtz, H. von. (1897/1903). ''Vorlesungen über Theorie der Wärme'', edited by F. Richarz, Press of Johann Ambrosius Barth, Leipzig, Section 46, pp. 176–182, in German.</ref><ref>Planck, M. (1897/1903), p. 43.</ref><ref>Guggenheim, E.A. (1949/1967), p. 10.</ref><ref>Sommerfeld, A. (1952/1956), Section 4 A, pp. 13–16.</ref><ref>{{Cita libro | autore=Ilya Prigogine, I. & Defay, R., translated by D.H. Everett| titolo=Chemical Thermodynamics | anno=1954 | editore=Longmans, Green & Co., London, p. 21.}}</ref><ref>Lewis, G.N., Randall, M. (1961). ''Thermodynamics'', second edition revised by K.S. Pitzer and L. Brewer, McGraw-Hill, New York, p. 35.</ref><ref name="Bailyn, M. 1994 page 79">Bailyn, M. (1994). ''A Survey of Thermodynamics'', American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 79.</ref><ref>Kondepudi, D. (2008). ''Introduction to Modern Thermodynamics'', Wiley, Chichester, ISBN 978-0-470-01598-8, p. 59.</ref>

La corrispondente formulazione matematica si esprime come:

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L'[[entropia (termodinamica)|entropia]] totale di un sistema isolato rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta quando si svolge una trasformazione irreversibile.

=== Cosiddetto Terzo principio ===

{{Vedi anche|Terzo principio della termodinamica}}

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== Bibliografia ==

* [[Oreste Murani]], ''[httphttps://www.archive.org/details/lezioniditermod00muragoog Lezioni di termodinamica: dettate nel Politecnico di Milano]'', ed. Ugo Hoepli, (1921);

* {{Cita libro|autore=[[Enrico Fermi]], ''|titolo=Termodinamica'',|traduttore=Antonio ed. italiana BollatiScotti|città=Torino|editore=Paolo Boringhieri, (1972), ISBN 88-339-5182-0;|anno=1958|annooriginale=1937|SBN=MOD0213502}}

* {{cita libro |autore=[[Richard Feynman]]|titolo=[[La fisica di Feynman]]|città=[[Bologna]]|editore=[[Zanichelli]]|anno=2001|ISBN=978-88-08-16782-8}}:

**Vol I, cap. 44: Le leggi della termodinamica

* {{cita libro| J. M. | Smith | Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics | 2000 | McGraw-Hill ||| coautori= H.Hendrick C. Van Ness; MMichael. MB. Abbot |||ed= 6 ||lingua= inglese|isbn=0-07-240296-2}}

* {{cita libro|nome=Kenneth K.George G.|cognome= Denbigh|wkautore=Kenneth Denbigh |titolo= I principi dell'equilibrio chimico | anno=1971 | editore=Casa Editrice Ambrosiana |città=Milano|isbn=88-408-0099-9 }}

* [[David{{cita libro|nome=David|cognome=Ruelle]]|wkautore=David (1984): ''Ruelle|titolo=Thermodynamic Formalism'', |editore=[[Cambridge University Press, ]]|città=[[Cambridge]]|anno=1984|ISBN =0-521-30225-0|lingua=en}} (prima pubbl. Addison-Wesley 1978)

* Brandani{{cita libro|nome=Vincenzo, ''|cognome=Brandani|titolo=Termodinamica dell'ingegneria chimica|città=[[L'', Aquila]]|editore=Libreria Univ.Universitaria Benedetti (|anno=2007), |ISBN =978-88-87182-19-4;}}

* Renato{{cita libro|nome=Renato|cognome=Rota, ''|titolo=Fondamenti di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica'', |editore=Pitagora Editrice |città=[[Bologna (]]|anno=2004), |ISBN =88-371-1472-9;}}

* [[{{cita libro|nome=Peter|cognome=Atkins|wkautore=Peter Atkins]], ''|titolo=Le Regole del Gioco'', |editore=Zanichelli Editore (|città=Bologna|anno=2010), |ISBN =978-88-08-06145-4}}

===Bibliografia internazionale===

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*Callen,{{cita H.B.libro|nome=Herbert (1960/1985).Bernard|cognome|Callen|wkautore=Herbert ''Callen|titolo=Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics'', (1st edition 1960) 2nd edition|anno=1892|url=https://archive.org/details/paper-doi-10_1002_path_1700010102|città=New 1985,York|editore=[[John Wiley, New York,& Sons|Wiley]]|ISBN 9812=978-5381-18526-8.50812-9|lingua=en}}

*{{cita libro|nome1=Ralph Howard|cognome1=Fowler, R.,|nome2=Edward Armand|cognome2=Guggenheim, E.A. (1939). ''|titolo=Statistical Thermodynamics'', |editore=[[Cambridge University Press, Canbridge UK.]]|città=[[Cambridge]]|anno=1960|lingua=en}}

*Guggenheim,{{cita E.A.libro|nome=Edward (1949/1967). ''Armand|cognome=Guggenheim|titolo=Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists'', (1st edition 1949) 5th edition 1967, |editore=North-Holland,|città= [[Amsterdam.]]|anno=1988|ISBN=978-04-44-86951-7|lingua=en}}

*Partington,{{cita J.R.libro|James (1949). ''Riddick|cognome=Partington|titolo=An Advanced Treatise on Physical Chemistry'', volumevol. 1, ''Fundamental Principles. The Properties of Gases'', |editore=Longmans, Green and Co., London.|città=[[Harlow]]|anno=1949|lingua=en}}

*Planck,{{en}} M.[[Max Planck]] (1897/1903). [http://www.onread.com/reader/145819 ''Treatise on Thermodynamics''], translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., LondonHarlow.

*{{cita libro|nome=Max|cognome=Planck, M. (1923/1926). ''|titolo=Treatise on Thermodynamics'', third3rd English edition translated by A. Ogg from the seventh German edition,|città=[[Mineola Longmans,(New GreenYork)|Mineola]]|editore=Dover & Co.,Publications LondonInc.|anno=1991|ISBN=978-04-86-66371-5|lingua=en}}

*{{cita libro|nome=Arnold|cognome=Sommerfeld,|wkautore=Arnold A. (1952/1956). ''Sommerfeld|titolo=Thermodynamics and Statistical Mechanics'', |anno=1956|url=https://archive.org/details/thermodynamicsst0005unse|editore=[[Academic Press, ]]|città=[[New York.]]|lingua=en}}

== Voci correlate ==

{{MultiColColonne}}

* [[Calore]]

* [[Ciclo termodinamico]]

Riga 182:

* [[Lavoro (fisica)]]

* [[Moto perpetuo]]

{{ColBreakColonne spezza}}

* [[Notazioni in termodinamica chimica]]

* [[Pozzo di calore]]

Riga 197:

* [[Emergia#Empotenza|Quarto principio della termodinamica]] (problema aperto)

* [[Termodinamica quantistica]]

{{EndMultiColColonne fine}}

:;Personaggi

Riga 213:

== Altri progetti ==

{{Interprogetto|commons=Thermodynamicsinterprogetto|b=Termodinamica|preposizione=sulla|etichetta=termodinamica|wikt=termodinamica}}

== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{cita web | 1 = http://studenti.dicamp.units.it/Termodinamica/Forms/AllItems.aspx | 2 = ''Dispense di termodinamica'' | accesso = 20 marzo 2009 | dataarchivio = 25 giugno 2008 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20080625011656/http://studenti.dicamp.units.it/Termodinamica/Forms/AllItems.aspx | urlmorto = sì }}

* [http://www.treccani.it/enciclopedia/termodinamica/ ''Voce''] su Treccani.it

* [http://www.sapere.it/enciclopedia/termodin%C3%A0mica.html ''Voce''] su Sapere.it

* {{cita web|http://studenti.dicamp.units.it/Termodinamica/Forms/AllItems.aspx|''Dispense di termodinamica''}}

* {{cita web|http://www.roma1.infn.it/people/luci/labo_termo/Luci_laboratorio_termodinamica.pdf|''Laboratorio di termodinamica''}}

* Antonino Drago, [https://web.archive.org/web/20120404140129/http://ulisse.sissa.it/chiediAUlisse/domanda/2007/Ucau070219d001/ ''Il terzo principio della termodinamica''] su sportello [[Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati|SISSA]]

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